码头工程施工安全的模拟监控技术研究_龚静.pdf

运输经理世界交通安全与养护0引言水工码头施工与其他岩土挖掘和回填工程一样，施工中面临着工程结构的应力、形变、沉降、位移等变化。突破口理论揭示，岩土工程挖掘过程中，构造破坏并非毫无预兆的突发事故，而是一处或者几处岩土体结构形变初发后，逐渐连锁扩大，直至造成严重工程损害的演变过程。提早获悉此类风险突破口，能够为工程采取有针对性的安全防护措施，赢得宝贵时间，提供第一手参考资料。1突破口分析监测方法述要岩土挖掘工程中，岩体受重力、水压力、工程作用力、地上载荷、地震或人为扰动等因素影响，如果防控处理不当，会导致岩土内部应力发生变化，当结构不能承受此种改变时，就会发生相应的破坏。破坏往往从起初的一处或者几处形变开始，而后产生连锁反应，就可能引起大范围变形或者破坏，此即点突破破坏。在工程安全监测上，如果能够及时发现此类突破口，有的放矢地加以安全控制，就可以有效防止后续事故的发生。利用突破口开展工程安全监控，首先需要发现和确定突破口。而多方收集信息，对相关信息进行集成综合，基于集成综合结果进行判别，是一种分析和发现突破口的方法。计算机技术飞速发展，使工程有限元模拟分析的运算能力达到前所未有的高度。突破口分析监控理论在有限元工程模型分析的支持下，可操作性、分析科学性和准确性程度大幅度提升，逐渐成为岩土工程施工安全监控较为适用的分析技术。强度折减法是借助数值运算解析岩土坡体安全系数的一种较适用的数理方法，该方法通过结构离散化和目标分析，采取几何和数理模型方法，获得结构刚度运算矩阵，进而建立结构分析的数理模型。数理模型中，岩土体内摩擦角和黏聚力同时除以折减系数，即获得一组新的抗剪强度参数。以折减后的岩土体内摩擦角和黏聚力作为参数，再次输入模型，重新启动运算过程，如果获得了收敛的运算结果，则意味着结构处于稳定安全状态，为获得安全防范突破口，则需要再次调整相关安全折减系数，直至获得不收敛的运算结果，此时所对应的最后一个折减系数，即工程分析可应用的安全稳定系数。该稳定系数工况下，岩土体或工程坡体正处于面临破坏的极限承受状态，随时可能发生工程结构破坏事故1。2案例工程某码头采用架空斜坡式结构，趸船与平台前沿之间配置坡道，坡道铺钢轨，用于缆车运行。斜坡道坡度为 12.5，投影水平长度为 68.25m，每阶为 13.5m，共 5 跨。坡道上部配置钢筋混凝土 T 型轨道梁，梁体高度为 1.7m。轨道梁处于混凝土桥墩之上，下部基础为混凝土钻孔灌注桩桩体 C30 钢筋混凝土结构，桩径为 1.2m，打入中风化岩，桩端不低于 3 倍桩径。陆上平台前部为重力挡土墙，其墙体应用 C20 混凝土。挡土墙基础嵌固于风化砂岩中。平台区的陆域岩土是上覆黏土、下为中风化岩体和强风化岩体的结构，回填料为黏土、碎块石，岩层工程质量较好。3模拟分析模型利用有限元 ANSYS 系统的 PLANE82 单元开展模拟分析，借助其单元生死控制功能，将没有施工和正在施工的结构部分进行区别处理，未施工的部分前台码头工程施工安全的模拟监控技术研究龚静(江西省路港工程有限公司，江西 南昌 330000)摘 要：岩土挖掘工程中，岩土体结构形变很可能产生连锁反应，导致工程结构大范围甚至整体破坏。为了加强工程施工安全控制，从突破口分析监测方法、模拟分析模型、施工过程模拟监测分析等方面对码头工程施工安全的模拟监控技术进行研究，借助工程有限元模拟系统强大的模拟运算能力，基于工程参数，通过模型运算，找出可能导致严重工程风险的突破口，以此为同类工程监测应用提供技术参考。关键词：码头工程；施工安全；模拟监控；突破口理论；折减系数中图分类号：U655文献标识码：A137运输经理世界交通安全与养护表现为杀死，但保存在工程单元后台，待施工进行到该部分时，它们则立即被激活。此功能避免了模拟分析同期运行多个模型的复杂和低效，节省了运算资源，也 使 模 拟 分 析 的 针 对 性 更 强。材 料 参 数 如 表 1所示。表 1 架空斜坡码头有限元模拟材料参数材料斜坡黏土体强风化岩体中风化岩体钢筋混凝土混凝土挡墙回填块石重度/（kN/m3）19.0026.0026.2025.0025.0026.20内摩擦角/323538/黏聚力/kPa1270100/弹性模量/MPa202.01034.2103301032610340泊松比0.3300.2560.2410.1670.1670.241运算过程中折减系数初始值取折减系数 1.00，将运算参数输入有限元软件开展运算，如果运算结果是收敛，则折减系数按每次增加 1.00 的标准，代入软件再行运算，如果结果不收敛，则取前次的收敛整数，并将系数增加 0.20，代入模型继续运算，直至收获不收敛的运算结果，则前次运算所应用的折减系数即为安全系数。从施工开始至施工完成，案例模拟运算的全过程分为六个步骤。一是自然基础模拟运算；二是 R5 桩基及关联墩台的模拟运算；三是 R3R4 桩基及关联墩台的模拟运算；四是 R1R2 桩基及关联墩台的模拟运算；五是挡 土 墙 和 回 填 施 工 模 拟 运 算；六 是 轨 道 梁 的 模 拟运算。每个工序运算均通过强度折减系数，致结构达成模拟破坏，据以获得破坏区域的垂向沉降和水平位移状态。4施工过程模拟监测分析4.1 坡岸监测分析取 折 减 系 数 1.00、1.40、1.80、2.20、2.60、2.80、2.82，开展坡岸水平位移和垂向沉降状态模拟运算。当折减系数由 1.00 逐步加大至 2.80 时，运算结果呈收敛状态，但当加大至 2.82 时，运算结果变为不收敛，则前次运算的折减系数 2.80 即该次运算的安全系数。分析取得了该工况下坡岸的水平位移和垂向沉降状态云图，其中水平位移云图显示，在重力影响下，坡岸基础向右滑动，斜坡土层水平位移较大值集中于岩土体面层，临近坡岸底部 1/31/4 位置附近，最大位移 1.242mm。然后沿坡岸底部向上，在坡体 1/3 位置选定节点 6 个，节点 1 临近坡岸底部。各节点水平位移曲线如图 1 所示。图 1 坡岸节点水平位移曲线图 1 曲线显示，6 个节点的水平位移值随折减系数加大而加大。折减系数为 1.002.20 时，节点位移增幅都比较小，约为 0.30mm。折减系数为 2.60 时，节点位移突然加大 1.12mm。折减系数为 2.602.80 时节点位移加大 1.345mm。折减系数为 2.82 时，构造发生破坏。通常曲线平缓向上爬升或向下弯曲，意味该位置存在变化，并且其变化越陡急，变化越剧烈。曲线发生突变，则为一处重要的失稳信号。该例曲线显示，2.60 位置工程中应当引起关注并注意采取安全保障措施。具体施工监测中，如果看到类似曲线变化，就要加大检测力度，并采取必要防范措施。4.2 桩体施工监测分析取 折 减 系 数 1.00、1.40、1.80、2.20、2.60、2.90、2.92、2.94，开展桩体施工背景下码头结构的水平位移和垂向沉降状态模拟运算。当折减系数由 1.00 逐步加大至 2.92 时，运算结果呈收敛状态，折减系数为 2.94时，运算结果呈不收敛状态，此时的安全系数是 2.92。基于各折减系数的水平最大位移曲线如图 2 所示。图 2 基于各折减系数的水平最大位移曲线图 2 曲线显示，折减系数2.60 状态下，坡体水平位移不是很明显，最大形变值逐步向岩土体下方位移，从 节 点 1 移 向 节 点 5。但 是，当 折 减 系 数 2.60时，坡体水平位移剧烈加大，而且向上方岩土体移动，伴随折减系数加大，从节点 6 移向节点 8。构造破坏产生在岩土体顶部的节点 8 附近，位移为 14.395mm。基于突破口理论观点，当曲线呈现突变状态时，即构造时刻面临毁坏之时，工程遇到此种情况，就要针对相关部位提高监测频率，并预备针对性措施，控制和防范构造进一步形变2。同理可以进行 R3R4 至 R1R2 桩基及关联墩138运输经理世界交通安全与养护台的模拟运算分析。4.3 挡墙与块石回填施工监测分析取 折 减 系 数 1.00、1.40、1.80、2.20、2.60、2.80、3.00、3.04、3.06，开展挡墙与块石回填施工背景下码头结构的水平位移和垂向沉降状态模拟运算。当折减系数由 1.00 逐步加大至 3.04 时，运算结果呈收敛状态，而折减系数为 3.06 时，运算结果呈不收敛状态，此时的安全系数是 3.04。分析显示，未开始挡墙与块石回填施工时，坡岸中心发生 5.260mm 垂向沉降，挡墙与块石回填施工后，坡岸中心发生 16.80mm 垂向沉降，中心土体向外挤压，造成较大的水平位移。完成挡墙与块石回填施工后，在码头后方，土体发生最大垂向沉降，沉降随折减系数增大而不断增大。R1R2 桩的桩顶水平位移比桩底位移小，R3 桩的桩顶、桩底水平位移大体相同，桩R4R5 桩则桩顶位移大于桩底位移。分析显示，当土体强度不足时，结构形变多发生在坡岸土体的顶部和挡土墙所在区域，且水平位移量高于垂向沉降量，因此对斜坡上方的桩基应注意加强施工安全监测。4.4 轨道梁连成整体施工监测分析取 折 减 系 数 1.00、1.40、1.80、2.00、2.20、2.40、2.48、2.50，开展轨道梁连成整体施工背景下码头结构的水平位移和垂向沉降状态模拟运算。当折减系数由 1.00 逐步加大至 2.48 时，运算结果呈收敛状态，而折减系数为 2.50 时，运算结果呈不收敛状态，此时的安全系数是 2.48。分析显示，轨道梁完成施工后，梁下部以及所接触的 R5 桩部分，发生最大水平位移。岩土体水平位移比较大，且多集中于土体面层和临近岸底 1/41/3 位置。最大垂向沉降发生在码头后方、斜坡土体顶部以及挡土墙接触区域。构造破坏时，强风化岩体发生最大垂向沉降，其沉降量最大达到 12.399mm。斜坡土体沉降量为 10.256mm，墙体沉降量最大达到 11.022mm。当折减系数为 2.48 时，R5 桩顶部发生最大水平位 移，位 移 量 均 在 3.587m。R1 桩 在 折 减 系 数 1.80时，桩底水平位移最大，并自下而上逐步降低，2/5 桩位时最大，之后至桩顶逐步降低，呈现反“S”状态。当折减系数1.80 时，R1 桩形变曲线逐步变作桩底水平位移最大，而桩顶位移最小，桩顶至桩底逐渐变大。随折减系数的加大，R2 桩表现为反“S”形变，桩底水平位移比较大，自下而上逐步降低，至 2/5 桩位时，水平位移最小，随后继续加大，至 4/5 桩位时达到最大状态，再往上逐步降低。R3R5 桩的形变趋势一致，状态为桩底水平位移最小，桩顶水平位移最大，由桩底至桩顶水平位移逐步加大。由图 3 能够发现，R3 桩发生最大水平位移，R5 桩则最小；R5 桩桩顶水平位移3.584mm，R3 桩则最小3。分析显示，轨道梁施工后，梁右端发生最大水平位移，该部分是轨道梁与 R5 桩的接触区域。同时得知，在折减系数低于 2.40 时，梁前端约 12m 区域，即轨道梁接触墙体部分，存在向岸侧的水平位移，而且伴随折减系数的加大，当安全系数为 2.48 时，其位移值达到 3.584mm。图 3 轨道梁施工基于折减系数的结构水平位移曲线分析显示，轨道梁完成施工后，码头构造形成整体，当折减系数高于 2.60 时，需要对码头结构增加检测频率。检测重点应放在 R5 桩、轨道梁与 R5 桩的接触部分、坡面 1/2 位置的面层土体。斜坡码头常规施工中，当作业进展至轨道梁施工阶段时，构造形变主要产生在临水最近的桩基及其上部的轨道梁，并且主要是水平位移，斜坡面层岩土体的形变也比较大，在检测时，亦应予以足够的重视。墙体水平位移和垂向沉降反倒不那么明显。轨道梁架好后，桩基承受上方载荷加大，此时应当对轨道梁和桩基的沉降进行强化检测。5结语综上所述，针对码头工程安全施工监控需要，本文进行了模拟监控技术研究。介绍了岩土挖掘工程风险监控突破口理论，以及突破口理论与工程有限元模拟分析技术结合所形成的安全监控模拟分析技术。有限元强度折减法是该模拟监测技术的一个重要技术点。案例工程应用该技术，紧密结合坡岸施工、桩体施工、挡墙与块石回填施工、轨道梁连成整体等施工工序开展安全监测模拟分析，超前把握了施工中面临的工程结构应力、形变、沉降、位移等风险控制技术点。案例码头工程施工安全风险监测显示，基于突破口理论和折减系数法的有限元模拟监控技术，具有较强的超前施工风险预分析功能，具备较大的推广应用价值。参考资料：1柳林超，梁波，刁吉.基于 ANSYS 的有限元强度 折 减 法 求 边 坡 安 全 系 数 J.重 庆 交 通 大 学 学 报，2009（5）：899-901+910.2刘小强.基于水岩相互作用的库岸边坡稳定性和架空斜坡式码头结构特性研究D.重庆：重庆交通大学，2012.3刘小强，尚明芳，周世良，等.库水位循环作用下架空斜坡式码头变形研究J.水运工程，2013（4）：76-82.139